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ENFRIAMIENTO CON AIRE FORZADO

Introducción

Prácticas eficientes de enfriamiento

Velocidad de enfriamiento, manejo de aire, Ejemplo de aplicación

Empaques

INTRODUCCION

Desde hace muchos años el producto ha sido enfriado al ser almacenado simplemente en el cuarto frío. Este método es generalmente suficiente para almacenar producto a una temperatura baja, pero sólo funciona adecuadamente una vez que el fruto se ha enfriado, pero no elimina el calor de campo a una velocidad suficientemente rápida para mantener la calidad de los productos agrícolas, que se caracterizan por ser altamente perecederos. Frecuentemente el enfriamiento en cuartos es inadecuado para el producto almacenado en recipientes grandes, en cajas, sacos o bolsas y el producto requiere un enfriamiento inmediato.

En el cuarto que realiza el proceso, el calor se elimina lentamente desde los productos que se encuentran en el exterior hacia el interior del recipiente. En el centro del empaque, el calor generado por la respiración natural es más rápido que la velocidad con la que puede ser removido, ocasionando ascensos notables de temperatura.

Algunos tipos de producto, tales como las fresas, deben enfriarse lo más rápidamente posible después de cosechados para conservar la calidad de la fruta fresca y una demora de algunas horas puede ser suficiente para reducir la calidad del fruto apreciablemente. En tales casos, el enfriamiento en cuartos no ayuda de una forma eficiente para impedir daños serios a los productos. Para conservar la calidad, el producto fresco debe enfriarse de un modo seguro, llevándolo a su temperatura de almacenamiento óptima tan rápido como sea práctica y económicamente posible. El enfriamiento con aire forzado es mucho más rápido que el cuarto frío y está siendo cada vez más usado en Colombia para enfriar productos rápidamente. Ofrece estas ventajas:

1.   Disminuye el tiempo que el producto permanece a temperaturas elevadas, logrando reducir el deterioro del mismo;

2.   Brinda períodos más cortos de enfriamiento y hace más eficiente el uso de las instalaciones; 

3.   Puede enfriar el producto efectivamente en una variedad de recipientes o empaques cerrados sin mojarlo o someterlo a manipulación excesiva; 

4.   Es más eficiente que los cuartos, desde el punto de vista de gasto de energía, cuando deben enfriarse  volúmenes grandes de producto; 

5.   Una instalación con un cuarto de enfriamiento que brinde la capacidad adecuada, puede convertirse en una instalación de enfriamiento por aire  forzado, con una inversión relativamente pequeña en ventiladores.

PRACTICAS DE ENFRIAMIENTO EFICIENTES

El costo de la energía para el enfriamiento con aire forzado puede ser mayor o menor que el costo de la sala simple enfriando, esto depende básicamente de lo cuidadoso que sea el trabajador al operar el sistema que se usa. El enfriamiento más rápido posible se realiza con el método de aire forzado, que permite el mejor aprovechamiento de las instalaciones de enfriamiento, reduciendo por consiguiente, los costos activos totales. Además, dado que la cantidad de tiempo requerida para enfriar una carga de producto es mucho más corta, se requiere menos energía para remover el calor producido por la respiración y para superar la ganancia de calor mediante las paredes, techo y piso del edificio.

Por otra parte, el enfriamiento con aire forzado probablemente nos lleve a aumentar el costo de la energía total ligeramente, por la demanda eléctrica creciente, pero no debe tomarse solo como una medida de la electricidad que se consuma. El que costo de demanda de estos equipos, contribuye significativamente a la cuenta eléctrica en la mayoría de las instalaciones de enfriamiento. Para reducir el costo de demanda, el producto no debería ser enfriado más rápido de lo necesario. El enfriamiento con aire forzado puede también elevar el costo de enfriamiento, debido a que se aumenta la carga de enfriamiento por unidad de tiempo.

El enfriamiento más rápido requiere unidades más grandes de refrigeración y el costo debe ser tal que se amortice en la vida de la instalación. Sin embargo, los beneficios del enfriamiento con aire forzado exceden en amplio rango, a los costos. Este tipo de enfriamiento, es una herramienta útil para conservar la calidad de producto fresco. Es muy efectivo cuando el producto exige un enfriamiento rápido o cuando la cantidad de producto a ser enfriada por día o semana es lo suficientemente grande para justificar el aumento en el tamaño del equipo y los costos eléctricos que esto demanda.

3.2.1 Velocidad de enfriamiento

El enfriamiento con aire forzado es realizado exponiendo los paquetes del producto en un cuarto de enfriamiento a una corriente de aire con una mayor presión sobre un lado que sobre el otro. Esta diferencia de presión produce una fuerza que empuja el aire fresco por entre los paquetes y circula por la superficie del producto, removiendo así el calor del producto. Depende, entonces de la temperatura, de la cantidad de la masa de aire y el tipo de producto que será enfriado; así, el enfriamiento con aire forzado puede enfriar  de 4 a 10  veces más rápido que un cuarto frío. El diagrama de tiempo contra la temperatura en la Figura 1, ilustra la respuesta de un producto típico al flujo de aire.

 

Figura 1. Enfriamiento de un producto perecedero a tres velocidades de aire

 


La temperatura inicial del producto (es decir, la temperatura de pulpa) es representada por Ta. Esta temperatura varía con condiciones ambientes y el calor de campo del producto; normalmente oscila entre 60 y 90ºF. La temperatura deseable del aire en el interior del cuarto de enfriamiento, Tb, depende primordialmente del tipo de fruto. Pocos tipos de producto tolerarán temperaturas cercanas a la congelación, aunque algunos como las fresas y las manzanas, requieran temperaturas de almacenamiento cercanas a congelación. Muchos otros, tal como las calabazas y los pepinos, sufren daños por frío si son expuestos a temperaturas inferiores a 45ºF.

La temperatura interna real del aire, Tb, es medida con precisión por un termómetro ubicada lejos de las paredes exteriores, el techo y los contenedores. En la práctica, esta temperatura es regulada por el termostato que se coloca para operar el sistema de refrigeración. Las temperaturas correctas de almacenamiento para la mayoría de los tipos de productos hortofrutícolas, se dan en la tabla 1.1, del capítulo 1.

La curva A, en la figura 1 representa, comparativamente, el retardo que representa trabajar el enfriamiento sin el movimiento de aire forzado (cuarto frío). La Curva B y la C muestran el aumento debido a  enfriar con flujo de aire de 1/2 y 1 pie cúbico por minuto por libra de producto, respectivamente.

La velocidad de enfriamiento, representada por la inclinación de la curva, disminuye cuando la temperatura del producto se acerca a la temperatura del cuarto frío. Reducir la temperatura, aunque sea en pocos grados, puede tomar desde varios días a varias semanas y no presenta una gran importancia práctica.

En la figura 1, el tiempo requerido para disminuir la temperatura de pulpa a 7/8 de la diferencia entre Ta y Tb, se utilizó como valor de referencia para establecer comparaciones con diversos métodos. Sobre el diagrama podemos ver como los 7/8 del tiempo de enfriamiento para el aire es más de 7 veces la velocidad de enfriamiento del producto con un flujo de aire de 1 pie cúbico por minuto por libra de producto.

Dado que la velocidad enfriamiento para el sistema de aire forzado es mucho  mayor que la utilizada para el cuarto frío, puede requerirse un sistema de refrigeración de mayor capacidad. Si ya existe en una instalación, un sistema para realizar enfriamiento con cuarto frío, la conversión al sistema de enfriamiento por aire forzado dependerá de una serie de factores, entre los cuales podemos incluir la magnitud o tamaño del sistema original, la carga de enfriamiento que se prevée enfriar en el futuro y el factor de uso de la instalación.

3.2.2 Manejo del aire

Los ventiladores que son vendidos junto con el equipo de refrigeración se usan para enfriar el aire al forzarlo a pasar a través de las espirales de evaporador.

Estos ventiladores, en ocasiones, no son lo suficientemente grandes y en la mayoría de los casos no se encuentran ubicados adecuadamente para forzar el paso del aire directamente hacia el producto. Además, el aire enfriado que dejan pasar las espirales de evaporador es generalmente muy frío para la mayoría de estos tipos de productos y debe mezclarse con el aire más cálido existente en el interior del cuarto, para impedir el daño por frío o “chill injury”. Por lo tanto, se requiere algunos ventiladores adicionales que muevan el aire a través del producto. Para lograr una buena distribución de aire, estos ventiladores deberían lanzar, ojalá de modo tenue (nunca de golpe), el aire fresco a través del producto tan rápido y tan práctico como sea posible.

Diferentes formas de ubicación o apilado han resultado exitoso para el enfriamiento con aire forzado. El arreglo de cáscara mostrado en la Figura 2 usa un ventilador portátil, el cual es preferido por muchos debido a su gran versatilidad. Dos filas paralelas de producto, ubicadas a aproximadamente unos 2 de 3 pies de distancia y cubiertos por un paño o la faja plástica, forma la cáscara. Las corrientes de aire frío son trasladadas a través del espacio entre las filas del producto mediante el ventilador. En otro arreglo conocido como la " la pared de enfriamiento" (Ver figura 3), los ventiladores se ubican permanentemente a lo largo de una de pared.

Este diseño podría ser más conveniente para productores y los embarcadores que manejan volúmenes grandes de producto, especialmente si ellos siempre manejan la misma mercancía o una compatible. Los dos tipos de sistemas se usan en Colombia.

Debido a que el aire es forzado a circular entre los paquetes de producto por la diferencia en el aire, el cual presiona los lados opuestos, es necesario llenar los recipientes adecuadamente y amontonarlos  de tal manera que se minimicen las pérdidas y los espacios entre los empaques, los cuales, aunque permiten la circulación del aire cercano al producto, pueden, en determinado momento, reducir la eficiencia en el enfriamiento. Los deflectores pueden ubicarse sobre los espacios que inevitablemente van a quedar en la instalación, con el fin de dirigir el aire hacia el producto. Debe evitarse la ubicación de 2 montones seguidos,  ya que la circulación del aire forzado se realiza con dificultad, en anchos mayores a 3 o 4 pies (aproximadamente de 90 a 120 cm).

Además de controlar la temperatura y flujo de aire, es de gran importancia realizar un control sobre la humedad. El traslado de aire de una zona a otra, tiende a eliminar agua desde el superficie de producto, ocasionando marchitamiento, debilidad, y pérdida general de calidad, valor y otras propiedades organolépticas.

La mayoría de los productos agrícolas requieren una humedad relativa en el rango de 90 a 98 %, cuando ellos van en almacenamiento, unas horas antes del embarque. Hardenberg reporta que si la condensación desde las espirales de evaporador se desagua hacia afuera, la humedad en el cuarto puede caer en forma brusca. La cantidad de condensación que puede lograrse sobre estas espirales, puede disminuirse considerablemente limitando la reducción de temperatura a través ellos a unos 5ºF. Esto puede ser realizado aumentando el tamaño o el número de dichas espirales. En la práctica, los niveles relativos de humedad por encima de 80 o 85 por ciento no se logran fácilmente sin algún tipo de sistema de humidificación o mediante una planeación y operación muy cuidadosas.

La humedad baja puede ser corregida mediante diversos tipos de sistemas de humidificación comercial. Una práctica muy usada en Colombia es regar los pisos de vez en cuando, pero este hábito no es coherente con la limpieza ni es efectivo en algunas situaciones. Por otra parte, la humedad excesivamente alta para períodos largos puede también ser perniciosa, ya que fomenta el crecimiento de mohos y hongos. Aunque un humidistato  de alta calidad pueda usarse para controlar la humidificación, el método más preciso para medir esta humedad humedad relativa es el termómetro de bulbo húmedo.

3.2.2.1 Ventiladores

No todos los ventiladores se diseñan para mover aire al volumen y la presión estática que se requiere para que el sistema de aire forzado  enfríe. ( La presión estática, en este caso, es la resistencia presentada por los paquetes al movimiento del aire a través de ellos). Aunque en este sistema se pueden emplear ventiladores centrífugos o de hélice, sus especificaciones deben evaluarse cuidadosamente para asegurar que ellos entregarán una cantidad adecuada de aire enfriado a las presiones adecuadas.

Con el objeto de evaluar y considerar estas características, las curvas de ventiladores nos brindan los datos de volumen y presión. Estas curvas, como las que se presentan en la Figura 4, generalmente se encuentran disponibles para la mayoría de los ventiladores comerciales o industriales. Como se puede observar, existe una relación inversa entre la velocidad del flujo de aire y presión. En la figura, por ejemplo, la velocidad del flujo a 1 pulgada de presión de agua es de 4000 pies cúbicos por minuto (4000 cfm) y si  consideramos una presión de 1/2 pulgada la velocidad de la corriente aumenta a 6000 cfm.

Además de la velocidad del aire y las temperaturas que se manejan, existen otras variables que influyen en el tiempo requerido para enfriar el producto con el sistema de aire forzado, entre las cuales podemos mencionar el tamaño y forma del producto, la configuración y ventilando de los empaques.

Figura 4. Curva típica de un ventilador.

 

En la práctica, sin embargo, una velocidad de circulación de aire de aproximadamente 1 a 3 pies cúbicos por minuto a 1/2 pulgada la presión estática es suficiente para la mayoría de las aplicaciones en este tipo de productos. Los datos precisos para lograr un adecuado enfriamiento en un  conjunto de condiciones específicas pueden medirse mediante pruebas de campo.

La velocidad del aire en este tipo de instalaciones, puede medirse en forma económica y con la exactitud suficiente si se usa un manómetro en U montado al ventilador (Ver figuras 5 y 6). Un de lado del manómetro se conecta sobre el lado de la corriente del ventilador, tan lejos como sea posible de las cuchillas y el otro fin es abierto al aire del cuarto. Conocido el valor de la presión estática de aire mediante el ventilador y consultar el programa de desempeño comúnmente suministrado con los nuevos ventiladores, el valor de flujo de aire puede determinarse de un modo preciso.

Además, es también útil montar un termómetro sobre el lado de la descarga del ventilador. Comparando las temperaturas del aire a la salida del ventilador con la temperatura del aire del cuarto, es posible determinar la velocidad de enfriamiento. El ejemplo que se presenta a continuación ilustrará el procedimiento.

3.2.5 Ejemplo 

Un manómetro adjunto al ventilador que impulsa el aire a través de 8000 libras de pimientos, brinda una diferencia de presión estática de 1/2 pulgada de agua. La tabla de operación para este ventilador muestra un valor de flujo de aire de 14000 pies cúbicos por minuto a esta presión. La temperatura en el cuarto es 45ºF y la temperatura del aire que sale del ventilador es 52ºF. Para elevar la temperatura de 54 pies cúbicos de aire en 1ºF, se requiere un de Btu de energía de calor: 

 

                        Pérdida de calor

Se requiere aproximadamente 1 Btu para disminuir la temperatura de 1 libra de pimientos, en  1ºF. Por lo tanto, a un valor de pérdida de calor de 1,815 Btu por minuto, la temperatura de las 8000 libras de pimientos está siendo reducida 1ºF cada 4.4 minutos, así :

La velocidad de pérdida de calor cambia continuamente durante el período de enfriamiento. Como se ha mostrado en la Figura 3.1, dicha velocidad es más grande al inicio del ciclo de enfriamiento (cuando la diferencia entre la temperatura del aire y temperatura de producto es más grande) y finalmente disminuye, gradualmente hasta cero.

El interior de un cuarto de enfriamiento se amortigua frecuentemente humedeciéndolo o incluso mojándolo. Los motores de ventilador deberían, por lo tanto, ser del tipo totalmente cerrado (lo que se conoce internacionalmente como totally enclosed fan-cooled, TEFC) y conectados según los códigos de conexiones eléctricas, para impedir cortos. Es también una buena idea controlar el ventilador con un termostato montado en el flujo del  aire. El termostato detendrá el ventilador cuando el producto se ha enfriado hasta la temperatura predeterminada, así se logrará un ahorro de energía y se reducirán también los efectos de los secadores del aire de enfriamiento porque no permitirá que el ventilador opere sobre el producto, durante períodos demasiado largos. El termostato debería operar a temperaturas de entre  5 a 8ºF por encima de la temperatura del aire del cuarto.

Los planos e indicaciones para construir ventiladores montados se muestran en la figura 7. Este ventilador es capaz de mover más de 11000 pies cúbicos de aire por minuto contra una presión estática de 3/8 pulgada de agua. Es apropiado para gran variedad de usos en enfriamiento con aire forzado

3.3 EMPAQUES

Una variedad de empaques de fruta y verdura se han usado con enfriamiento con aire forzado. Ellos incluyen cajas de fibra de plástico, de madera (“cajas gasolineras“ y “guacales”) y de aluminio, entre otras. El requerimiento único es que el espacio abierto sea suficiente para asegurar que en los lados y fondo, exista un movimiento adecuado del aire a través de estos contenedores.

La mayoría de los empaques comerciales se están diseñando con un adecuados espacios abiertos ; de no ser así, deben orificios o ampliar los existentes para que, de  5 a 8 por ciento de la superficie lateral sea abierta y del 3 al 5 por ciento del fondo también cumpla esta condición. Las ranuras de por lo menos 1/2 pulgada de ancho son mejores que los orificios circulares, los cuales pueden ser bloqueados por el producto. Estas ranuras deben distribuirse bien sobre el superficie del empaque para asegurar una buena distribución del aire circulante.

 

Figura 7a. Ventilador para enfriamiento con aire forzado. Frente

 

 

Figura 7b. Ventilador para enfriamiento con aire forzado. Planta

Debemos recordar que las frutas y vegetales tienen comportamientos diferentes y pueden modificar el ambiente donde se almacenan, produciendo etileno y olores indeseables en algunos productos. Además las temperaturas y humedades relativas de almacenamiento varían según el producto, por lo cual debemos asegurar un almacenamiento en condiciones adecuadas para todos los productos.

Sin embargo, es de gran utilidad conocer cómo se pueden combinar las cargas para su almacenamiento y/o transporte, identificando las condiciones y la sensibilidad de algunos productos.

Es importante recordar que cuando se mezclan mercancías que requieren humedades y temperaturas ligeramente diferentes, deben conocerse las condiciones óptimas para al producto más valioso o sensible, que determina las condiciones de viaje. 

La tabla 1 presenta los grupos de compatibilidad, es decir, los productos que pueden ser almacenados bajo condiciones similares sin que se afecte de algún modo su calidad.

Tabla 1 Almacenamiento de frutas y hortalizas, según grupos de compatibilidad[1]

 

Grupo

 

Condiciones recomendadas

Productos

Temperatura

H.R.

(%)

ºC

ºF

1[2]

0-2

32-36

90-95

Manzanas, Albaricoques, Remolachas cortadas, Bayas (excepto arándanos), Cerezas, Cocos, Higos (no con manzanas), Uvas (No con SO2), Puerros, Melocotones, naranjas[3], Granadillas, Peras, Ciruelos, Nabos, Rábanos

2

0-2

32-36

90-100

Anís*, alcachofas*, Espárrago, Judías,  remolachas*, achicoria, bayas (excepto arándanos), brócoli*, col de Bruselas*,  repollo*, zanahorias*, Coliflor*, apio*,

Cerezas, maíz*, uvas (no con SO2), alcachofa, Kiwii*

Puerros (no con higos o uvas), Lechuga, setas,  cebollas* (no con higos, uvas, seta, ruibarbo o maíz),  perejil*, guisantes*, Granadillas, Rábanos*, Ruibarbo, Guisantes, espinaca*, nabos*, nueces.

( * :Estos productos pueden estar cortados)

3

0-2

32-36

65-75

Ajos, cebollas

4

4.5

40

90-95

Peras, Caimito, Melón, Yucas, Arándanos,  Limones, mandarinas, naranjas, Melones, Pepinos,  Tamarindo  

5

10

50

85-90

Judías,Pepinos, Berenjena, Okra, papas, Tamarindos

6

10-15

50-60

85-90

Aguacates, Plátanos, Melones, Zapotes, Pan de fruta

Chirimoyas, Carambolo, Cocos, Freijoas, Jengibre,  Granadillas, Guayabas, Limones*, limas*, Mamey,  Mangos, Mangostino, Papayas, Maracuyá, Piña,  Papas, Manzanas, Tomates maduros

7

18-21

65-70

85-90

Peras verdes, Tomates maduros o verdes, Sandías, Zapotes

 


Notas:

[1] Tomado de Internet: http://www.mcic.net/. 1997

[2] Muchos productos de éste grupo no son compatibles con el grupo 2, ya que la producción de etileno de éste último puede ser alta.

[3] Los cítricos tratados con Biphenil, pueden causar olores que son absorbidos por otros productos.

 

 


 

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Actualización: 28/02/ 2002